高能效高速稳态铣削参数优化_胡韶华

书书沈阳工业大学学报自然科学版）收稿日期：２０１６－１１－０７．基金项目：重庆市基础与前沿研究项目ｃｓｔｃ２０１３ｊｃｙｊＡ７００１４）；国家自然科学基金资助项目５１５７５０７２）．作者简介：胡韶华１９７９－），男，四川达州人，高级工程师，博士，主要从事车间节能运行、设备故障诊断及非标设备研制等方面的研究．ｄｏｉ：１０．７６８８／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１６４６．２０１７．００．００高能效高速稳态铣削参数优化胡韶华１，２，何　彦１，刘　飞１１重庆大学机械工程学院，重庆４０００３０；２重庆工程职业技术学院电气工程学院，重庆４０２２６０）摘　要：为了提高铣削加工的能量利用率，提出了一种以无颤振切削为约束条件，以能量利用率为优化目标的铣削参数优化方法．基于机床的能耗特性，建立了提高能量利用率的无颤振铣削参数优化模型．利用切削稳定域图确定主轴转速的优化区间，利用切削力、切削功率、切削速度等条件确定切削深度、切削宽度及进给速度的优化区间，并通过合理选择各参数的优化步长快速获得切削参数．以五轴雕铣机为实验机床，４５钢为切削材料进行了验证试验，结果表明，该参数优化方法使能量利用率得到了较大提高．关　键　词：能耗；稳定域；高速铣削；切削参数优化；能量利用率；颤振；数控加工；多目标中图分类号：ＴＨ１６；ＴＧ５４７　　文献标志码：Ａ　　文章编号：１０００－１６４６２０１７）００－００００－００ＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｈｉｇｈｓｐｅｅｄｍｉｌｌｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓｗｉｔｈｓｔａｂｌｅｄｏｍａｉｎｆｏｒｈｉｇｈｅｎｅｒｇｙｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙＨＵＳｈａｏｈｕａ１，２，ＨＥＹａｎ１，ＬＩＵＦｅｉ１１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｈｏｎｇｑｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４０００３０，Ｃｈｉｎａ；２．ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｈｏｎｇｑｉｎｇＶｏｃａｔｉｏｎａｌＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４０２２６０，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｅｎｅｒｇｙｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｒａｔｉｏｏｆｍｉｌｌｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ，ａｍｉｌｌｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｔｈｒｏｕｇｈｔａｋｉｎｇｃｈａｔｔｅｒｆｒｅｅｃｕｔｔｉｎｇａｓｔｈｅｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｃｏｎｄｉｔｉｏｎａｎｄｅｎｅｒｇｙｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｒａｔｉｏａｓｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｔａｒｇｅｔｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｅｎｅｒｇｙｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｍａｃｈｉｎｅｔｏｏｌ，ｔｈｅｃｈａｔｔｅｒｆｒｅｅｍｉｌｌｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｅｎｅｒｇｙｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｒａｔｉｏｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｒｅｇｉｏｎｏｆｓｐｉｎｄｌｅｓｐｅｅｄｗａｓｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄｗｉｔｈｔｈｅｓｔａｂｌｅｄｏｍａｉｎｄｉａｇｒａｍｏｆｃｕｔｔｉｎｇ，ａｎｄｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｒｅｇｉｏｎｓｏｆｃｕｔｔｉｎｇｄｅｐｔｈ，ｃｕｔｔｉｎｇｗｉｄｔｈａｎｄｆｅｅｄｒａｔｅｗｅｒｅｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄｗｉｔｈｓｕｃｈｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓａｓｔｈｅｃｕｔｔｉｎｇｆｏｒｃｅ，ｃｕｔｔｉｎｇｐｏｗｅｒａｎｄｃｕｔｔｉｎｇｓｐｅｅｄ．Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅｃｕｔｔｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓｗｅｒｅｑｕｉｃｋｌｙｏｂｔａｉｎｅｄｔｈｒｏｕｇｈｒｅａｓｏｎａｂｌｙｃｈｏｏｓｉｎｇｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｉｎｔｅｒｖａｌｓｏｆｖａｒｉｏｕｓｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．Ｔｈｅｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｗｅｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｔｈｒｏｕｇｈｔａｋｉｎｇａｆｉｖｅａｘｉｓｅｎｇｒａｖｉｎｇａｎｄｍｉｌｌｉｎｇｍａｃｈｉｎｅａｓｔｈｅｔｅｓｔｍａｃｈｉｎｅｔｏｏｌａｎｄ４５ｓｔｅｅｌａｓｔｈｅｃｕｔｔｉｎｇｍａｔｅｒｉａｌ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｐａｒａｍｅｔｅｒｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｃａｎｇｒｅａｔｌｙｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｅｎｅｒｇｙｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｒａｔｉｏ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｅｎｅｒｇｙｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ；ｓｔａｂｌｅｄｏｍａｉｎ；ｈｉｇｈｓｐｅｅｄｍｉｌｌｉｎｇ；ｃｕｔｔｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ；ｅｎｅｒｇｙｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｒａｔｉｏ；ｃｈａｔｔｅｒｉｎｇ；ＮＣｍａｃｈｉｎｉｎｇ；ｍｕｌｔｉｐｌｅｔａｒｇｅｔ　　数控机床在现代机加车间使用十分广泛，其能耗特性复杂、总量大且能效低，如何降低机床能耗，提高能效是实施绿色制造的重要研究课．在机床设计阶段可以通过轻量化设计提高能量利用率，ＩＳＯ１４９５５已提出了具体的优化设计方法、步骤和，但该方法在使用过程无法进一步提高机床的能量利用率［１］．胡韶华等提出在使用过程中可以合理选择主轴转速降低空载功率［２］；Ｃａｉ等提出了精细能耗限额和多目标能耗基准概念以及相应的实施方法，为机床能耗监控、管理以及能网络出版时间：2017050820:25:28网络出版地址：http:kns.cnki.netkcmsdetail21.1189.T.20170508.2025.010.html效提升提供了有效［３－４］．在优化切削参数实现机床节能研究方面，李聪波［５］和周志恒［６］使用基于经验力学优化模型，分别对车、铣加工进行了参数优化，实现了低碳排放，但未考虑切削稳定条件；李康举［７］提出了通过改变主轴转速和进给速度的方法有效控制了加工过程中的振动，但未考虑能量优化问题；李尧［８］考虑了切削稳定条件，并以铣削碳排放量为目标优化模型，得到能量较高的无颤振加工条件，但计算过程较为复杂．在目前切削参数优化过程中，大多采用基于经验参数或者相关推荐值方法来寻找最优切削参数［９］．一般来讲，切削参数的经验值或机床使用手册推荐的切削参数值为保证切削时无发生颤振现象，大都偏保守而无法充分发挥数控机床的加工能力［１０］；若选择激进的加工参数则在加工过程中极易出现切削颤振现象．本文提出一种确保不发生颤振现象的高能效加工参数优化方法，建立了以无颤振切削为约束条件的能量效率目标函数优化模型，根据机床刀具的动态性能确定无颤振切削的参数优化区间并通过一个简便算法获取优化参数，最后通过实验验证了该方法的有效性．１　面向高能效铣削参数优化模型１１　铣床能耗特性分析根据机床设备各耗能部件消耗特征大致可以将机床设备能耗分为３类：切削能耗Ｅｃｕｔ、变化能耗Ｅｖａｒ和固定能耗Ｅｃｏｎｔ［１１］，其中，切削能耗Ｅｃｕｔ为去除工件多余材料消耗的能量，是切削功率对时间的积分；变化能耗Ｅｖａｒ为机床传动系统包括主轴系统和进给系统）在工作期间的能耗，为传动系统空载功率对时间的积分；固定能耗Ｅｃｏｎｔ则是指机床辅助部件如风扇电机、伺服和冷却泵等）加工过程消耗的能耗，是辅助部件所耗功率对时间的积分．它们之间的具体关系可以表示为Ｐｉｎ＝Ｐｃｕｔ＋Ｐｔｍｓ＋ＰａｕｘＥｉｎ＝∫ＰｉｎｄｔＥｃｕｔ＝∫ＰｃｕｔｄｔＥｖａｒ＝∫ＰｔｍｓｄｔＥｃｏｎｔ＝∫ＰａｕｘｄｔＥｉｎ＝Ｅｃｕｔ＋Ｅａｖｒ＋ＥｃｏｎｔＵ＝Ｅｃｕｔ／Ｅｉｎ　１）式中：Ｐｉｎ为机床的输入总功率；Ｐｃｕｔ为切削功率；Ｐｔｍｓ为机床传动系统空载功率；Ｐａｕｘ为机床辅助系统的功率；Ｅｉｎ为机床的总能耗；Ｅｃｕｔ为机床的切削能耗；Ｅｖａｒ为变化能耗；Ｅｃｏｎｔ为固定能耗；Ｕ为能量利用率即切削能耗占总能耗的百分比）．１）机床传动系统空载功率Ｐｔｍｓ估计．由于进给系统的空载功率很小约占机床总功率的１％）可以忽略，所以机床传动系统空载只考虑机床主传动的空载功率．胡韶华等［１２］指出现代机床的主传动系统绝大部分采用变频变压的方式控制主轴系统，导致主轴功率是一个非单调的函数关系．实践中，一般采用实验获取有限个数据，用分段函数来估计主传动的空载功率值，即　Ｐｔｍｓｎ）＝ａ０ｎ２＋ｂ０ｎ＋ｃ０　ｆ≤５０Ｈｚ）ａ１ｎ２＋ｂ１ｎ＋ｃ１　ｆ＞５０Ｈｚ{）２）式中：Ｐｔｍｓｎ）为在主轴转速ｎ时传动系统的空载功率；ａ０，ａ１，ｂ０，ｂ１，ｃ０，ｃ１为拟合常数．２）机床辅助系统功率Ｐａｕｘ．辅助系统如风扇电机、伺服和冷却泵等）的功率通常为一个常数，与加工状态无关．３）切削功率Ｐｃｕｔ．由文献［１３］可知，机床的切削功率和材料去除率成正比，即Ｐｃｕｔ＝Ｋ·ＭＲＲ　３）式中：Ｋ为材料去除率系数与材料硬度和力学性能相关）；ＭＲＲ为材料去除率．对于铣削而言，材料去除率ＭＲＲ可表示为轴向切削深度ａｐ、径向切削深度ａｅ、主轴转速ｎ、每齿进给量ｆｚ及铣刀齿数ｚ的函数，即ＭＲＲ＝ｎｚａｐａｅｆｚ　４）１２　加工稳定性条件在铣削过程中，不合理或者过分激进的切削参数会引起颤振现象．颤振现象是指发生在切削加工过程中的一种强烈的自激振动现象，它源于切削力与刀具工件振动之间的耦合，属于典型的不稳定切削状态．颤振现象将直接影响工件的加工表面质量，缩短机床和工具的寿命，甚至破坏机床的功能部件．在生产实践中，一般根据厂家推荐参数来选取切削参数，选择参数都偏向保守，不利于提高总体能量利用率和生产效率．根据Ａｌｔｉｎａｓ提出的切削稳定性理论［１４］，若获得稳定切削条件需要切削深度和转速满足ａｐｌｉｍ＝－２πΛＲ１＋κ２）ｚＫｔｎ＝６０ｃｚ［２ｋ１＋１）π－２ａｒｃｔａｎκ{］　５）式中：ａｐｌｉｍ为颤振极限切削深度；Ｋｔ为切向切削力２沈　阳　工　业　大　学　学　报　　　　　系数；κ＝ΛＩ／ΛＲ＝ｓｉｎｃＴ）／１－ｃｏｓｃＴ），ΛＩ、ΛＲ分别为加工系统特征方程特征值的虚部和实部；ｃ为颤振频率；ｋ１为切削圆弧留下的波纹整数．为保证稳定切削留有一定裕量，即ａｐ≤λａｐｌｉｍλ≤０９）．１３　其他约束条件１）主轴转速约束．刀具允许切削速度需满足ｍｉｎπｄ０ｎｍｉｎ１０００，ｖ{}ｍｉｎ≤ｖｃ≤ｍａｘπｄ０ｎｍａｘ１０００，ｖ{}ｍａｘ６）式中：ｄ０为铣刀直径；ｖｃ为切削速度；ｎｍｉｎ、ｎｍａｘ分别为主轴转速的最小值、最大值；ｖｍｉｎ、ｖｍａｘ为刀具允许切削速度的最小值、最大值．２）切削力约束．铣削过程中各轴的切削力Ｆｔ不能超过机床各轴的进给抗力，最大进给抗力Ｆｍａｘ可以通过查阅机床使用手册获得．３）功率约束．切削功率不能超过主轴的最大功率，即Ｐｃｕｔ≤ηＰｅＮ　７）式中：η为主轴电机效率；ＰｅＮ为电机额定功率．４）进给量约束．进给量需要介于机床最大进给量与最小进给量之间，一般说来，只要满足切削力、功率、切削速度等条件即可．１４　高能效铣削优化模型综上分析，能量利用率是包含效率、能耗及相关参数等变量的复杂函数，所以能量利用率作为高速铣削参数优化指标的问题实际上是一个典型多约束条件多优化目标的问题，其数学模型为ｍａｘＵ＝∫Ｐｃｕｔｄｔ∫Ｐｃｕｔｄｔ＋∫Ｐｕｄ{}ｔｓ．ｔ．　ａｐ≤λａｐｌｉｍ，ｍｉｎπｄ０ｎｍｉｎ１０００，ｖ{}ｍｉｎ≤ｖｃ≤ｍａｘπｄ０ｎｍａｘ１０００，ｖｔ{}ｍａｘ，Ｆｔ≤Ｆｍａｘ，Ｐｃｕｔ≤ηＰｅＮ８）２　铣削参数优化策略节能高速铣削参数优化是典型的约束条件下优化问题，铣削过程中受到切削力、功率、切削速度及颤振稳定性等多个非线性条件的约束．在没有考虑稳定性条件的切削参数一般采用粒子群算法、禁忌手法等方法进行求解，计算量大，求解速度慢［５，１５］．有必要提出一种适合工程应用的快速求解算法，因此，本文提出一种基于切削稳定图的切削参数快速求解方法，该方法的优化流程按照如下步骤进行：锤击法获取机床刀具模态参数画出铣削加工稳定域图选择主瓣对应的主轴转速区间获取对应转速的轴向切削深度区间依照其他约束条件优化其余参数，下面对其中的关键步骤进行说明：１）获取机床、刀具、工件的基本信息．机床信息主要包括主轴电机的额定功率、扭矩、转速范围等；刀具主要包括材料、直径、几何参数等；工件主要包括几何尺寸、材料及力学系数等．２）约束条件初始化．约束条件主要包括切削力、扭矩、功率及加工质量等信息的设置，有些参数无法准确初始化，可以用优化前经验值或其推导值．３）确定参数优化区间．根据稳定域方程可以得到如图１所示的稳定域图．由图１可知，曲线以下为稳定切削区，以上为切削颤振区．据此可以确定主轴转速区间，一般选择两个稳定域最宽主瓣区作为参数优化区间，曲线最高点对应的转速为最佳主轴转速中心值，即，ｎ［Ｎ１－Δ１，Ｎ１＋Δ１］［Ｎ２－Δ２，Ｎ２＋Δ２］．图１　铣削加工稳定域示意图Ｆｉｇ１　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｓｔａｂｌｅｄｏｍａｉｎｏｆｍｉｌｌｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ径向切削深度ａｅ的优化区间．粗加工时，ａｅ［０５Ｄ，０９Ｄ］Ｄ为刀具直径）；精加工时，ａｅ＝０１Ｄ或者ａｅ＝为加工余量，且满足≤０１Ｄ）．轴向切削深度ａｐ的优化区间ａｐ≤λａｐｌｉｍ［ｉ］［ｊ］λ≤０９），其中，ａｐｌｉｍ［ｉ］［ｊ］表示转速ｉ级和切削深度ｊ级的最大深度，由稳定域方程确定．４）确定加工层数Ｎｃ．根据总切削深度Ｈ和优化深度ａｐｌｉｍ选择加工层数Ｎｃ．在不增加切削层数的情况下，尽量将切削用量均匀分配到每一层，以均匀载荷，选择表达式为Ｎｃ＝１　λａｐｌｉｍ≥Ｈ）ｉＨｉ≤λａｐｌｉｍ≤Ｈｉ(){－１５）确定优化步长．在优化过程中需要根据计算精度来选择优化步长，一般而言，切削深度优化３　　　　　　胡韶华，等：高能效高速稳态铣削参数优化步长Δａｅ＝０１Ｄ，主轴转速优化步长Δｎ＝ｍｉｎ０１Δ１，０１Δ２），切削深度优化步长Δａｐ＝０１ａｐｌｉｍ　ａｐｌｉｍ≥Ｈ）０１Ｈａｐｌｉｍ≤Ｈ{），也可以根据需要合理选择其他步长．３　优化案例及实验验证３１　实验设备与加工任务本次实验以ＣＮＣ５００铣削平面为研究对象，机床、刀具、材料及模态的具体参数如表１４所示．实验任务是将４５钢件３００ｍｍ×８０ｍｍ×３０ｍｍ铣削至高度为２３ｍｍ，其他设备与文献［５］相同．３２　相关参数获取１）机床空载功率采集及其拟合．机床的空载功率用ＨＩＯＫＩ功率分析仪测量获得，机床的空载功率如图２所示其中辅助系统的空载功率８０４Ｗ）．由图２可见，转速３０００ｒ／ｍｉｎ以下时，空载功率是单调递增的；３０００ｒ／ｍｉｎ以上时，先减后增，空载功率特性可以利用分段函数进行拟合，即Ｐｕｎ）＝２×１０－６ｎ２＋００１４９ｎ＋８２３３ｎ≤３０００ｒ／ｍｉｎ）３×１０－６ｎ２－０００３４ｎ＋８８１５ｎ＞３０００ｒ／ｍｉｎ）表１　机床参数Ｔａｂ１　Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓｆｏｒｍａｃｈｉｎｅｔｏｏｌ主轴电机额定功率／ｋＷ额定扭矩／Ｎ·ｍ）最大扭矩／Ｎ·ｍ）主轴速度ｒ·ｍｉｎ－１）进给速度ｖｆｍｍ·ｍｉｎ－１）最大刀具直径Ｄｍｍ２３２１３５２０００２８０００１６０００１２表２　刀具参数Ｔａｂ２　Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓｆｏｒｔｏｏｌ类型切削齿数ｚ刀具直径／ｍｍ螺旋角／°）前角／°）后角／°）刃长／ｍｍ悬长／ｍｍ硬质合金４４３０８１５１０２０表３　材料切削参数Ｔａｂ３　Ｃｕｔｔｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓｆｏｒｍａｔｅｒｉａｌｓ材料切削力系数／Ｎ·ｍｍ－２）切削速度ｖｃ／ｍ·ｍｉｎ－１）４５２８调质钢２８３２ＨＲＣ１１５６２４０７５表４　机床刀具系统模态参数Ｔａｂ４　ＭｏｄａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｆｏｒｍａｃｈｉｎｅｔｏｏｌｔｏｏｌｓｙｓｔｅｍＸ方向固有频率／Ｈｚ阻尼比刚度／Ｎ·μｍ－１）Ｙ方向固有频率／Ｈｚ阻尼比刚度／Ｎ·μｍ－１）６１２００１２２６４６００１９１９图２　机床空载功率曲线Ｆｉｇ２　Ｎｏｌｏａｄｐｏｗｅｒｃｕｒｖｅｏｆｍａｃｈｉｎｅｔｏｏｌ２）材料去除率系数获取．通过设计正交铣削实验，根据文献［５］的实验数据可以得出材料去除率ＭＲＲ与切削功率的关系Ｐｃ＝１０７５ＭＲＲ，利用此系数依照式３）４）估计出切削功率Ｐｃｕｔ和切削能耗Ｅｃｕｔ．３）机床刀具系统的模态参数获取及切削稳定域确定．通过锤击法可以获得机床刀具的主模态参数，确定的切削稳定域图如图３所示ａｅ＝３６ｍｍ）．３３　优化结果及分析通过图３分析可知，无颤振主轴速度ｎ在４５００５５００ｒ／ｍｉｎ和８０００１００００ｒ／ｍｉｎ之间，最大切削深度分别为ａｐｌｉｍ［５０００］［３６］＝１５ｍｍ当ａｅ＝３６ｍｍ，ｎ＝９０００ｒ／ｍｉｎ时），４沈　阳　工　业　大　学　学　报　　　　　图３　铣削稳定域Ｆｉｇ３　Ｓｔａｂｌｅｄｏｍａｉｎｏｆｍｉｌｌｉｎｇａｐｌｉｍ［９０００］［３６］＝３５ｍｍ当ａｅ＝３６ｍｍ，ｎ＝９０００ｒ／ｍｉｎ时），以能量利用率为目标的优化切削参数为ｎ，ａｅ，ａｐ，ｖｆ）＝９０００，２，０７，５００）．实验结果如表５所示，由表５可以看出，基于稳定域的参数优化主要通过在稳定域上选择合适主轴速度ｎ，切削宽度ａｅ，切削深度ａｐ来寻找参数组合，适当减小了切削宽度和每齿进给量，但是在稳定域约束下选择了相对较大的主轴转速和切削深度．通过３种优化方法的实验结果对比见表６）可以得出如下结论：１）与经验法优化结果相比，本文方法总能耗Ｅｉｎ降低为３２２％，切削时间降Ｔ低为２０３％，能量利用率Ｕ提高至３０７３％．与此同时，每齿切削量ｆｚ降低至７６６％，进给速度却提高至１８２７％．２）与ＳＥＣＴｐ优化结果比较，本文方法总能耗Ｅｉｎ降低为３８５％，切削时间Ｔ降低２５２％，能量利用率Ｕ提高了２５４５％．与此同时，每齿切削量ｆｚ降低至７２６％，进给速度提高了１５７７％．表５　不同方法的优化结果Ｔａｂ５　Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍｅｔｈｏｄｓ方法ｎｒ·ｍｉｎ－１）ｆｚｍｍ·ｓ－１）ｖｆｍｍ·ｍｉｎ－１）ａｐｍｍａｅｍｍＭＲＲｍｍ３·ｍｉｎ－１）ＴｍｉｎＥｃｕｔｋＷｈＥｉｎｋＷｈＵ％经验法３８００００１８０２７３６０１５０３５０１４３６１１８０１３０３２０２１５０ＳＥＣＴｐ４１７７００１９０３１７００１４５３９１１７９９９５２１３０６１６９１８１本文方法９０００００１３８５００００７００２００７０００２４００３０１６５４６２表６　３种优化方法的结果比较Ｔａｂ６　Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｉｎｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｒｅｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓ％序号各切削参数相对值ｎｆｚｖｆａｐａｅＭＲＲＴＥｃｕｔＥｉｎＵ１２３６８７６６１８２７４６６６５７１４８７４２０３９９３３２２３０７３２２１５４７２６１５７７４８２７５１１３８９１２５２９８３３８５２５４５　　注：１是本文方法和文献［５］中经验法优化结果的比较；２是本文方法和文献［５］中以ＳＥＣＴｐ为优化目标的结果比较．４　结　论本文利用机床刀具的动态特性建立高速铣削稳定域，通过高速铣削稳定域合理选择主轴转速、切削宽度、切削深度的优化区间，并通过一个简单的迭代算法优化了铣削参数，实现了节能高效的铣削加工．实验结果验证了该方法的有效性，且具有如下优点：１）在稳定性条件的约束下，优化铣削参数较大程度上克服了或者改进了经验选择切削参数的保守性；２）在稳定域上选择参数优化区间，有效避免了盲目搜索切削参数，减小了优化程序和计算量；３）选择能量利用率作为优化指标，材料去除率较高，且加工时间较短．参考文献Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）：［１］ＩＳＯ／ＤＩＳ．ＩＳＯ１４９５５１Ｍａｃｈｉｎｅｔｏｏｌｓｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｍａｃｈｉｎｅｔｏｏｌｓｐａｒｔ１：ｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙｆｏｒｅｎｅｒｇｙｅｆｆｉｃｉｅｎｔｍａｃｈｉｎｅｔｏｏｌｓ［Ｓ］．Ｇｅｎｅｖａ：ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＯｒｇａｎｉｓａｔｉｏｎｆｏｒＳｔａｎｄａｒｄｉｓａｔｉｏｎＩＳＯ），２０１２．［２］胡韶华，刘飞，何彦．数控机床变频主传动系统的空载能量参数特性研究［Ｊ］．计算机集成制造系统，２０１２，１８２）：３２６－３３１．ＨＵＳｈａｏｈｕａ，ＬＩＵＦｅｉ，ＨＥＹａｎ．Ｎｏｌｏａｄｅｎｅｒｇｙｐａｒａｍｅｔｅｒｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｃｏｍｐｕｔｅｒｉｚｅｄｎｕｍｅｒｉｃａｌｃｏｎｔｒｏｌｍａｃｈｉｎｅｍａｉｎｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．ＣｏｍｐｕｔｅｒＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＳｙｓｔｅｍ，２０１２，１８２）：３２６－３３１．）［３］ＣａｉＷ，ＬｉｕＦＺｈｏｕＸＮ，ｅｔａｌ．Ｆｉｎｅｅｎｅｒｇｙｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎａｌｌｏｗａｎｃｅｏｆｗｏｒｋｐｉｅｃｅｓｉｎｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｉｎｄｕｓｔｒｙ［Ｊ］．Ｅｎｅｒｇｙ，２０１６，１１４：６２３－６３３．［４］ＣａｉＷ，ＬｉｕＦ，ＸｉｅＪ，ｅｔａｌ．Ａｎｅｎｅｒｇｙｍａｎａｇｅｍｅｎｔａｐｐｒｏａｃｈｆｏｒｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｉｎｄｕｓｔｒｙｔｈｒｏｕｇｈｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇａｍｕｌｔｉｏｂｊｅｃｔｉｖｅｅｎｅｒｇｙｂｅｎｃｈｍａｒｋ［Ｊ］．ＥｎｅｒｇｙＣｏｎｖｅｒｓｉｏｎａｎｄＭａｎａｇｅｍｅｎｔ，５　　　　　　胡韶华，等：高能效高速稳态铣削参数优化２０１７，１３２：３６１－３７１．［５］李聪波，朱岩涛，李丽．面向能量效率的数控铣削加工参数多目标优化模型［Ｊ］．机械工程学报，２０１６２１）：１２０－１２９．ＬＩＣｏｎｇｂｏ，ＺＨＵＹａｎｔａｏ，Ｌｉｌｉ．ＭｕｌｔｉｏｂｊｅｃｔｉｖｅＣＮＣｍｉｌｌｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｆｏｒｅｎｅｒｇｙｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１６２１）：１２０－１２９．）［６］周志恒，张超勇，谢阳，等．数控车床切削参数的能量效率优化［Ｊ］．计算机集成制造系统，２０１５，２１９）：２４１０－２４１８．ＺＨＯＵＺｈｉｈｅｎｇ，ＺＨＡＮＧＣｈａｏｙｏｎｇ，ＸＩＥＹａｎｇ，ｅｔａｌ．ＣｕｔｔｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｆｏｒｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｅｎｅｒｇｙａｎｄｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｉｎＣＮＣｌａｔｈｅ［Ｊ］．ＣｏｍｐｕｔｅｒＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＳｙｓｔｅｍ，２０１５，２１９）：２４１０－２４１８．）［７］李康举，刘永贤，冯保中，等．ＴＨ５６５０铣削加工中心变参数切削振动控制［Ｊ］．沈阳工业大学学报，２０１２，３４２）：１７４－１７９．ＬＩＫａｎｇｊｕ，ＬＩＵＹｏｎｇｘｉａｎ，ＦＥＮＧＢａｏｚｈｏｎｇ，ｅｔａｌ．ＣｕｔｔｉｎｇｖｉｂｒａｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｂａｓｅｄｏｎｖａｒｉａｂｌｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｆｏｒＴＨ５６５０ｍｉｌｌｉｎｇｍａｃｈｉｎｉｎｇｃｅｎｔｅｒ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｈｅｎｙａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１２，３４２）：１７４－１７９．）［８］李尧，刘强．面向服务的绿色高效铣削优化方法研究［Ｊ］．机械工程学报，２０１５，５１１１）：８９－９８．ＬＩＹａｏ，ＬＩＵＱｉａｎｇ．Ｓｅｒｖｉｃｅｏｒｉｅｎｔｅｄｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｍｕｌｔｉｐａｓｓｍｉｌｌｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｆｏｒｇｒｅｅｎａｎｄｈｉｇｈｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１５，５１１１）：８９－９８．）［９］ＨｕＳ，ＬｉｕＦ，ＨｅＹ，ｅｔａｌ．Ａｎｏｎｌｉｎｅａｐｐｒｏａｃｈｆｏｒｅｎｅｒｇｙｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｏｆｍａｃｈｉｎｅｔｏｏｌｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｌｅａｎｅｒＰｒｏｄｕｃｔｉｏｎ，２０１２，２７６）：１３３－１４０．［１０］刘强，李忠群．数控铣削加工过程仿真与优化：建模、算法与工程应用［Ｍ］．北京：航空工业出版社，２０１１．ＬＩＵＱｉａｎｇ，ＬＩＺｈｏｎｇｑｕｎ．ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆＣＮＣｍｉｌｌｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｍｏｄｅｌｉｎｇ，ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｍ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：ＡｖｉａｔｉｏｎＩｎｄｕｓｔｒｙＰｒｅｓｓ，２０１１．）［１１］张为，程晓亮，郑敏利，等．切削加工表面完整性建模现状与发展趋势［Ｊ］．沈阳工业大学学报，２０１４，３６５）：５１９－５２５．ＺＨＡＮＧＷｅｉ，ＣＨＥＮＧＸｉａｏｌｉａｎｇ，ＺＨＥＮＧＭｉｎｌｉ，ｅｔａｌ．Ｓｔａｔｕｓａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｔｒｅｎｄｏｆｓｕｒｆａｃｅｉｎｔｅｇｒｉｔｙｍｏｄｅｌｉｎｇｉｎｍｅｔａｌｃｕｔｔｉｎｇ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｈｅｎｙａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１４，３６５）：５１９－５２５．）［１２］胡韶华．现代数控机床多源性能耗特性研究［Ｄ］．重庆：重庆大学，２０１２．ＨＵＳｈａｏｈｕａ．ＥｎｅｒｇｙｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｍｕｌｔｉｐｌｅｃｏｍｐｏｎｅｎｔｏｆｍｏｄｅｒｎＣＮＣｍａｃｈｉｎｅｔｏｏｌｓ［Ｄ］．Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ：ＣｈｏｎｇｑｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２０１２．）［１３］ＧｕｔｏｗｓｋｉＴ，ＤａｈｍｕｓＪ，ＴｈｉｒｉｅｚＡ．Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｅｎｅｒｇｙｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｆｏｒｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｅｓ［Ｃ］／／１３ｔｈＣＩＲＰＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＬｉｆｅＣｙｃｌｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ｌｅｕｖｅｎ，Ｂｅｌｇｉｕｍ，２００６．［１４］ＡｌｔｉｎｔａｓＹ，ＢｕｄａｋＥ．Ａｎａｌｙｔｉｃａｌｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｏｆｓｔａｂｉｌｉｔｙｌｏｂｅｓｉｎｍｉｌｌｉｎｇ［Ｊ］．ＣｉｒｐＡｎｎａｌｓＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９９５，４４１）：３５７－３６２．［１５］李聪波，崔龙国，刘飞，等．面向高效低碳的数控加工参数多目标优化模型［Ｊ］．机械工程学报，２０１３，４９９）：８７－９６．ＬＩＣｏｎｇｂｏ，ＣＵＩＬｏｎｇｇｕｏ，ＬＩＵＦｅｉ，ｅｔａｌ．ＭｕｌｔｉｏｂｊｅｃｔｉｖｅＮＣｍａｃｈｉｎｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｆｏｒｈｉｇｈｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄｌｏｗｃａｒｂｏｎ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１３，４９９）：８７－９６．）责任编辑：景　勇　英文审校：尹淑英）６沈　阳　工　业　大　学　学　报